contenido crítico de cloruros - Consejo Superior de Colegios de

LA CORROSIÓN DEL HORMIGÓN ARMADO EN AMBIENTE MARINO:
CONTENIDO CRÍTICO DE CLORUROS.
Bermúdez, M. A.1, Alaejos, P.2, Lanza, V.3
Laboratorio Central de Estructuras y Materiales (CEDEX – Ministerio de Fomento), C/ Alfonso XII, 3 y 5,
28014 – Madrid. [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract
The objective of this project has been to study the behaviour of reinforced concrete on the
caissons of two wharves, constructed in the Mediterranean coast with a concrete of 25
N/mm2, a normal portland cement content of 300 kg/m3, and located in a submerged
marine environment. The preliminary conclusions show that the chloride diffusion is faster
than expected in submerged concrete, but this effect may be compensated by the absence
of oxygen, so the chloride threshold to initiate corrosion is also much higher than in
atmospheric marine environment.
Keywords: chloride threshold, corrosion, reinforced concrete, submerged marine
environment
Resumen
El objetivo del presente trabajo ha sido estudiar el comportamiento del hormigón armado
utilizado en los cajones de dos muelles construidos en la costa Mediterránea con hormigón
de categoría 25 N/mm2 y contenido de cemento igual a 300 kg/m3. Los cajones estudiados
permanecen sumergidos permanentemente. Las conclusiones preliminares señalan que en
el hormigón sumergido la velocidad de difusión de cloruros es mucho más elevada de lo
que cabría esperar, pero este efecto queda compensado porque la ausencia de oxígeno
eleva notablemente el contenido crítico de cloruros necesario para el inicio de la corrosión,
muy superior al recogido en la normativa nacional e internacional.
I. Introducción.
La mayoría de las aguas de mar presentan una composición química uniforme,
caracterizada por la presencia de un 3,5% de sales solubles en peso. Las mayores
concentraciones iónicas son las del Na+ y del Cl-, que son de 11.000 y 20.000 mg/litro,
respectivamente. También hay cantidades significativas de Mg2+ y SO42-, normalmente
1.400 y 2.700 mg/litro, respectivamente. El pH varía entre 7,5 y 8,41.
Por lo tanto, el hormigón expuesto a un ambiente marino puede deteriorarse debido a los
efectos combinados de la acción química de estos constituyentes del agua de mar sobre los
productos de hidratación del cemento, de la expansión álcali-árido (cuando hay áridos
reactivos), de la presión de cristalización de sales en el hormigón si una cara de la
estructura está sometida a condiciones de humedad y la otra a condiciones de secado, a la
acción del hielo en climas fríos, a la corrosión de las armaduras y a la erosión física debida
a la acción de las olas y de las partículas en suspensión. Cada una de estas acciones
provoca un aumento de la permeabilidad del hormigón, lo que contribuye a que progrese el
ataque de la causa inicial y el de los demás tipos de acción1. De todas estas posibles
patologías, la corrosión de las armaduras suele ser la principal causa de deterioro del
hormigón en estructuras de hormigón armado expuestas al agua de mar.
1
II. Corrosión del acero en el hormigón.
La corrosión del acero en el hormigón es un proceso electroquímico. Los potenciales
electroquímicos que forman las pilas de corrosión se pueden generar de dos formas1:
•
•
Las pilas de composición se pueden formar cuando se colocan dos metales
diferentes dentro del hormigón, como las armaduras de acero y los conductos de
aluminio, o cuando existen variaciones significativas en las características
superficiales del acero.
Las pilas de concentración se pueden formar debido a diferencias en la
concentración de los iones disueltos cerca del acero, como los álcalis, cloruros o el
oxígeno.
Como consecuencia, uno de los dos metales (o algunas partes del metal si sólo hay uno) se
convierte en anódico y el otro en catódico1,2 (figura 1).
Figura 1.- Corrosión de las armaduras en el hormigón. Modelo simplificado3.
En condiciones normales, el acero embebido en el hormigón se encuentra amparado por
una doble protección: física (el espesor del recubrimiento de hormigón) y química (el pH
alcalino del hormigón, con valores habituales de 12-13, que sitúa al acero en la zona de
pasividad del diagrama de Pourbaix, en la que se forma en la superficie del acero una capa
protectora de óxido Fe2O3 de espesor muy pequeño, del orden de 100.000 Å, que impide
toda corrosión ulterior)2,4. Las reacciones de formación de esta capa protectora de óxido
son5:
4Fe2+ → 4e- + 4Fe3+
3O2 + 12e- → 6O24Fe3+ + 6O2- → 2Fe2O3
Sin embargo, la capa pasiva consiste no sólo de Fe2O3, sino que es una mezcla de Fe2O3 y
Fe3O4 entremezclados con hidratos del cemento. Pero el Fe3O4 no es un óxido pasivo, ya
que su porosidad es muy elevada comparada con la del Fe2O3. La formación del Fe3O4 se
puede representar así5:
2O2 + 8e- → 4O22Fe3+ + Fe2+ + 4O2- → Fe3O4
2
El proceso anódico no puede producirse hasta que la capa protectora del acero se hace
permeable por la acción de los iones Cl-. El proceso catódico no se produce hasta que en la
superficie del acero se dispone de una cantidad suficiente de oxígeno y agua. Las
reacciones son1,2:
Ánodo:
Cátodo:
Fe → 2e- + Fe2+
½O2 + H2O + 2e- → 2(OH)-
Inicialmente se produce hidróxido ferroso de color verdoso y, con mayor grado de
oxidación, óxido ferroso-férrico, de color negro, e hidróxido férrico, rojizo2. En ausencia
de suficiente oxígeno, no se forma óxido expansivo ya que no se puede desarrollar la
formación de hidróxido férrico. Las reacciones son5:
Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3
2Fe(OH)3 → Fe2O3.H2O + 2H2O
Formación de hidróxido ferroso
Formación de hidróxido férrico
F. de óxido de hierro hidratado
La transformación del hierro metálico en óxido (FeO.(H2O)x) viene acompañada de un
incremento de volumen que puede llegar a ser del 600% del tamaño original del metal, lo
que se considera la principal causa de la expansión y fisuración del hormigón1,2.
III. Contenido crítico de cloruros.
El contenido crítico de cloruros es la cantidad de cloruros que provoca la corrosión activa
del acero. Hasta ahora no se ha encontrado un valor único de este contenido crítico, debido
a que varía en función de las características del hormigón (pH de la solución de los poros,
contenido de humedad (figura 2), temperatura, tipo de catión que acompaña al cloruro,
contenido de C3A y finura del cemento, adiciones, etc.) y del acero (composición,
impurezas, desigualdades de la superficie, envejecimiento)6. Todos estos parámetros
influyen en la naturaleza de la capa pasiva, lo que determina el potencial eléctrico que
presenta la armadura. Además, la naturaleza de la capa pasiva evoluciona con el tiempo, y
por lo tanto también lo hace el potencial. Pourbaix confirmó que el acero situado en
soluciones alcalinas que contengan iones cloruros puede sufrir corrosión localizada, por lo
que para un pH y una concentración de cloruros determinada, se puede detectar un
potencial (llamado potencial de picadura), por encima del cual el acero se corroe7.
Figura 2.- Variación del contenido crítico en cloruros según la humedad ambiente3.
3
Los cloruros pueden estar en el hormigón4,8:
• Combinados: unidos química o físicamente a los minerales del cemento o a los
productos de hidratación (por ejemplo, sal de Friedel: 3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O).
Se considera que los cementos con un bajo contenido en aluminato tricálcico tienen
menor capacidad para fijar cloruros4.
• Libres: en la solución de los poros del hormigón.
Sólo resultan peligrosos los cloruros que quedan disueltos en la fase acuosa de los poros.
Si el hormigón no está carbonatado, un 0,05% de ión Cl- con relación al peso del hormigón
o un 0,4% de ión Cl- con relación al peso del cemento, es un buen criterio para establecer
un riesgo de corrosión incipiente, aunque el valor crítico puede ser mucho más elevado, o
más bajo, dependiendo de otras influencias (humedad relativa, empleo de cementos de baja
alcalinidad o con bajo contenido en aluminato cálcico8; algunas fuentes5 deducen, a partir
de ensayos realizados, que el contenido crítico de cloruros es aproximadamente 2 veces
superior en el hormigón sumergido que en el situado en la zona de salpicaduras).
Los contenidos críticos de cloruros recogidos en la bibliografía varían entre 0,17 y 2,2%,
expresado como %Cl totales en peso de cemento5. En la siguiente tabla se presenta el
contenido crítico de cloruros (en peso de cemento) que provoca el inicio de la corrosión
recogido por diferentes autores9:
Solubles en agua
Solubles en ácido
ACI 201
0,10 a 0,15*
ACI 222
0,20
ACI 318
0,15 a 0,30
0,20
BS 8110
0,40
Normas Australianas
0,60
RILEM
0,40
Normas Noruegas
0,60
Hope e Ip
0,10 a 0,20
Everett y Treadaway
0,40
Thomas
0,50
Hussain, Al-Gahtani y Rasheeduzzafar¥
0,18 a 1,2
Page y Havdahl
0,54
1,00
Stratfull
0,15
*0,10: ambiente húmedo expuesto a cloruros; 0,15: ambiente húmedo no expuesto a cloruros.
¥
Valor crítico usado en un estudio.
Los valores indicados por el ACI 201, ACI 222 y BS 8110 son límites normativos y no
verdaderos valores críticos de inicio de corrosión
La concentración de cloruros totales (expresado como %Cl totales en peso de cemento) al
nivel de las armaduras medido en diferentes estructuras reales con corrosión también se
mueve en un amplio rango, según se muestra en la siguiente tabla:
Resist. Edad Recubrim.
(MPa) (años)
(mm)
Estructura
Relación
a/c
Corrosión
10
17,6
5
40
0,7
Muy grave
Dique 21 Portugal10
17,6
5
40
0,7
Muy grave
Dique 20 Portugal
4
Ambiente
Contenido cloruros
Superficie
Armadura
2 ciclos/año
1,53-5,36
1,07 – 3,06
2 ciclos/mes
1,38-1,68
1,15 – 1,45
Resist. Edad Recubrim.
(MPa) (años)
(mm)
Estructura
Relación
a/c
Corrosión
Ambiente
Contenido cloruros
Superficie
Armadura
1,84
1,38 – 0,99
1,38
1,07 – 1,30
0,77
0,54 –0,38
1,28
0,47
Pilas
-
24
-
-
Vigas
35
24
30 – 50
-
Losa
30
24
30 – 50
-
Muy grave
34
66
75-175
0,73
Mínima
Muelle Sidney12
40
20
40
0,53
Media
Mareasumergida
Salpicaduras
- marea
Salpicaduras
Mareasumergida
Salpicaduras
-
0,1 – 0,5
P. Tay Road13
22-68
27
75
0,44-0,66
Grave
Salpicaduras
0,6-2,5
0,15-1,25
Dique hormigón14
18-36
20
40
0,6-0,7
Grave
1 ciclo/sem.
2,91-1,57
2,3-1,1
Muelle
Portugal10
11
Puerto de Muroran
Muy grave
- grave
Otros autores indican que el contenido crítico de cloruros totales para iniciar la corrosión
varía entre 0,45 y 0,97% en peso de cemento, en función del contenido de C3A; sin
embargo, el contenido crítico de cloruros libres para iniciar la corrosión presenta valores
aproximadamente constantes en torno al 0,1% en peso de cemento, lo que indicaría que los
valores de cloruros libres son más fiables para establecer un valor límite de inicio de la
corrosión15.
IV. Métodos experimentales.
El objetivo del presente trabajo ha sido estudiar el comportamiento frente a la penetración
de cloruros del hormigón armado utilizado en los cajones de dos muelles (en adelante,
Muelle A y Muelle B) construidos en la costa Mediterránea con hormigón de categoría 25
N/mm2, contenido de cemento igual a 300 kg/m3 y recubrimiento de 40 mm, y situados en
ambiente marino sumergido (en la fotografía 1 se muestra la construcción de un muelle con
cajones flotantes y en la figura 3 un croquis de un cajón flotante con celdas circulares).
Fotografía 1.- Construcción de un muelle
con cajones flotantes.
Figura 3.- Croquis de un cajón flotante de
hormigón armado.
Para realizar el estudio, inicialmente se ha analizado la información correspondiente a la
fabricación del hormigón y datos del proyecto de los cajones. Tras la extracción de
testigos, en laboratorio se ha inspeccionado el aspecto del hormigón y de las armaduras,
para a continuación someterlos a una serie de ensayos de determinación del contenido de
cloruros solubles en ácido.
La metodología de estudio de los hormigones de los cajones de los dos muelles ha seguido
los siguientes pasos:
5
IV.1. Recopilación de información
A partir del proyecto de construcción de los muelles se han obtenido las características de
los cajones flotantes (dimensiones, tipología, detalles de armado, etc.) y del hormigón
empleado para construirlos (resistencia característica, relación a/c, etc.). De los resultados
del control de calidad realizado durante la ejecución de la obra se ha obtenido la resistencia
de las tongadas de los cajones en los que se han extraído testigos para realizar este estudio,
y en el caso del Muelle A, el contenido de cloruros de los materiales empleados en la
fabricación del hormigón.
IV.2. Inspección visual y extracción de testigos
En ambos muelles el paramento en contacto con el agua de mar no se ha podido
inspeccionar pues estaba prácticamente sumergido en su totalidad y la carrera de marea
diaria es prácticamente nula. Sobre los cajones se construye in situ una viga cantil de
hormigón, en la que se sitúan los diferentes sistemas de carga-descarga de barcos, y que es
la que suele quedar por encima de la cota de marea baja. En la Fotografía 2 se muestra el
aspecto del muelle desde el mar, en la que se aprecia que el cajón está prácticamente
sumergido.
Viga cantil sobre
el cajón
Cajón flotante sumergido
Fotografía 2.- Vista del paramento en contacto con el agua de mar.
En cada uno de los cajones estudiados (tres en cada muelle) se han realizado dos sondeos
verticales de 100 mm de corona exterior, con un diámetro final del testigo de 83 mm, por
lo que finalmente se dispone de 6 sondeos del Muelle A (denominados A1 a A6) y cinco
del Muelle B (B1 a B5). Dado que se trata de determinar el perfil de penetración de
cloruros, en cada cajón el primer sondeo se ha intentado situar justo detrás de la armadura
más próxima al paramento en contacto con el agua de mar, y el segundo sondeo se sitúa a
continuación, aunque solapándose 2 cm con el anterior (Fotografía 3).
6
Fotografía 3.- Realización de sondeos en los muelles.
V. Resultados experimentales.
V.1. Recopilación de información
El Muelle A se construyó 4,5 años y el Muelle B 6,5 años antes del inicio de este estudio.
El hormigón empleado era H-250, y en el caso del Muelle A contenía 300 kg de
cemento/m3 de hormigón, cemento tipo I52,5-SR y relación a/c de 0,5; el recubrimiento era
de 40 mm en ambos Muelles. La coronación de los cajones del Muelle A se encuentran
sólo unos 30 cm por encima del nivel del mar, mientras que en los del Muelle B esta
distancia es de unos 10 cm.
La tipología del aligeramiento es circular en ambos casos, y también en los dos Puertos se
fabricaron los cajones in situ; por el procedimiento constructivo, el curado se realizó con
agua de mar. La armadura horizontal (de 16 mm de diámetro para el Muelle A y de 12 mm
para el Muelle B) es la que se sitúa más próxima a la superficie en contacto con el mar.
Según el control de calidad, el contenido inicial de cloruros en los materiales del Muelle A
era: 0,011% en el cemento, 0,034% en el agua y 0,005% en los áridos. Las resistencias del
control de calidad fueron:
TABLA 1. Datos del control de calidad de los cajones.
Muelle A
Cajón 1
38,4
Resistencias control de calidad
Cajón
2
32,6
(N/mm2)
Cajón 3
37,5
Muelle B
Cajón 1 29,8
Cajón 2 28,7
Cajón 3 26,8
V.2. Inspección visual y extracción de testigos
De la inspección visual de los testigos hay que destacar que en general no se observaban
fisuras, juntas, presencia de cuerpos extraños, porosidad elevada ni ningún otro tipo de
anomalía destacable, tan sólo unas coqueras puntuales. El hormigón tenía un color
uniforme, y el árido y la pasta estaban homogéneamente distribuidos. El árido era de
machaqueo, con un tamaño máximo de 20 mm. En el testigo B4 (correspondiente al
Muelle B) se observa una fisura longitudinal y una coquera de gran tamaño.
7
Los sondeos cortaron en algunos casos armaduras del cajón, pero en ningún caso se
observaban signos de corrosión en dichas armaduras, como se muestra en las siguientes
fotografías.
Fotografía 4. Armadura sin corrosión.
Fotografía 5. Armadura sin corrosión.
En los testigos extraídos se ha cortado una rodaja de 10 cm para realizar los ensayos de
determinación de cloruros. En esa rodaja se han realizado 3 cortes longitudinales paralelos
al paramento en contacto con el mar (Figura 4), para así obtener 4 lonchas de 2 cm de
espesor y 10 cm de longitud, con las que se han realizado los análisis químicos según la
norma ASTM C1152.
Figura 4.- Croquis de la división del testigo en cuatro muestras para el análisis de cloruros.
Los resultados obtenidos en los ensayos químicos se indican a continuación, en función de
la profundidad (en cm) a la que se toma la muestra:
TABLA 2. Cloruros totales (expresado en % en peso de cemento, considerando una
dosificación de cemento de 300 kg por m3 de hormigón).
TESTIGO
A1
A2
A3
A4
A5
A6
Densidad
(kg/m3)
2.270
2.270
2.300
2.300
2.270
2.270
7-9
1,0
0,7
0,3
-
Profundidad de la muestra (cm)
9-11 11-13 13-15 14-16 16-18 18-20
0,5
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,5
0,3
0,3
0,3
0,2
0,2
0,3
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
8
20-22
0,1
0,1
0,1
TESTIGO
B1
B2
TESTIGO
B3
B4
B5
Densidad
(kg/m3)
2.290
2.290
Densidad
(kg/m3)
2.260
2.230
2.230
3-5
1,3
6-8
2,1
-
Profundidad de la muestra (cm)
7-9
9-11 12-14 14-16 16-18
1,7
1,5
1,2
0,8
0,7
Profundidad de la muestra (cm)
8-10 10-12 12-14 15-17 17-19 19-21
0,7
0,7
0,6
1,6
1,6
1,3
1,2
1,1
0,9
5-7
1,6
-
18-20
0,8
21-23
0,7
0,8
VI. Discusión de resultados.
La Instrucción EHE16 (art. 30.1.) limita el contenido total de ión cloro del hormigón,
expresado (dada la capacidad de fijación y neutralización de los cloruros que tiene el
cemento) en términos de porcentaje en peso del cemento, a un máximo del 0,4%. Por lo
tanto, en los dos primeros cajones ensayados del Muelle A hay un contenido excesivo de
cloruros hasta una profundidad de unos 11 cm, mientras que en el tercero se situaría el
umbral a unos 7 cm de profundidad, como se observa en las celdas sombreadas de la tabla
2.
En los tres sondeos del Muelle B hay un contenido excesivo de cloruros hasta una
profundidad superior a los 20 cm.
En ambos muelles no se observa corrosión en las armaduras cortadas al extraer los testigos,
a pesar de estar situadas a tan sólo 5 cm del paramento exterior.
VII. Conclusiones.
La inspección visual de las armaduras indica que no hay síntomas de corrosión a pesar de
que el contenido de cloruros a esa profundidad sea muy superior al 0,4% indicado en la
EHE, debido a que el acceso de oxígeno hasta las armaduras es escaso al encontrarse el
hormigón totalmente saturado de agua. Por lo tanto, en ambiente marino sumergido, el
contenido crítico de cloruros que supone el inicio de la corrosión debe ser bastante superior
al 0,4%, y según los datos del Muelle B, al menos superior al 1,34% en peso de cemento.
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